KAERI/TR-4219/2010 기술보고서

지하매설 배관 누설탐지 기술 현황

및 타당성 분석

A Feasibility Study on Leak Detection Technique for

Buried Pipes

한 국 원 자 력 연 구 원

- i -

제 출 문

한국원자력연구원장 귀하

본 보고서를 “원전 압력계통 기기의 동적응답 특성 시험설비 구축” 과

제의 “지하매설 배관 누설탐지 기술 현황 및 타당성 분석”에 대한 기술보고

서로 제출합니다.

2010년 12월

주 저 자: 윤 두 병 (원자력융합기술개발부)

공동저자: 박 진 호 (원자력융합기술개발부)

신 성 환 (원자력융합기술개발부)

- ii -

요 약 문

발전소 건설 시에 설치된 지하매설 배관이 대부분 20년 이상 경과됨에 따라서

지하매설 배관의 누설탐지의 중요성이 점차 부각되고 있다. 본 연구의 목적은

현재 상수도의 누설탐지에 주로 사용되고 있는 상호상관함수기법을 발전소 지하

매설 배관 누설탐지에 적용 가능한지에 대한 타당성 연구를 수행하는 것이며,

이를 위하여 누설위치를 추정하기 위하여 사용되는 상호상관함수를 이용한 누설

탐지 기법의 주요 장단점을 시뮬레이션 수행을 통하여 분석하였다. 또한 발전소

에서의 모의 누설시험을 수행하였으며, 그 결과로 주파수영역에서의 신호처리기

법을 활용하여, 계측된 진동신호에 유입된 전기잡음과 주기적인 기계잡음 성분

을 감소시킴으로써, 상호상관함수기법의 누설탐지 성능을 향상시킬 수 있음을

확인하였으며, 향후 상호상관함수기법을 발전소 지하매설 배관의 누설탐지에 활

용할 수 있을 것으로 판단된다.

- iii -

Abstract

The importance of the leak detection of a buried pipe in a power plant is

being emphasized as the buried pipes of a power plant are more than 20

years old. In case of water supply facilities, the cross-correlation method is

widely used for leak detection of a buried pipe. The objective of this work is

to investigate the feasibility of the cross-correlation method for leak detection

of the buried pipe in power plant. For this purpose, the advantages and

disadvantages of the cross-correlation method were investigated by performing

numerical simulations. In addition, in order to verify the feasibility of the

cross-correlation method for leak detection of the buried pipe in power plant,

an experiment has been performed. The experimental result demonstrates that

the performance of the cross-correlation method can be enhanced by reducing

the periodic noise components due to electrical noise and mechanical

equipment. It is expected that the cross-corelation method can be utilized for

the leak detection of the buried pipe in power plant.

- iv -

목 차

제 1장 서론 ..................................................................................................................... 1

제 2장 지하 매설배관 누설탐지기술 현황 ............................................................... 2

제 1절 국내 현황 ....................................................................................................... 2

제 2절 국외 현황 ........................................................................................................ 4

제 3장 기본 이론 ......................................................................................................... 6

제 4장 전산시뮬레이션을 통한 타당성 분석 ........................................................ 8

제 1절 상관식 누설탐지기법의 장점 ..................................................................... 8

제 2절 상관식 누설탐지기법의 단점 .................................................................... 10

제 3절 상관식 누설탐지기법의 개선방안 ............................................................ 15

제 5장 누설탐지 시험 및 분석 .................................................................................. 18

제 1절 발전소 누설탐지 시험................................................................................... 18

제 2절 누설탐지 시험 결과 ...................................................................................... 20

제 6장 결론 .................................................................................................................... 22

참고문헌 .......................................................................................................................... 23

- v -

표 목 차

표 1 상호상관함수를 이용한 누설탐지기법의 개선방안............................................ 15

표 2 신호 측정을 위한 사용 장비 및 특성 ................................................................ 18

- vi -

그 림 목 차

그림 1 한국표준과학연구원이 보유한 누설시험장치................................................. 2

그림 2 누설탐지에 사용되는 주요방법......................................................................... 2

그림 3 한국원자력연구원의 소음원 및 진동원인 탐지 연구 실적........................ 3

그림 4 일본 Fuji Tecom사의 상관식 누수탐지기 LC-2500..................................... 5

그림 5 영국 Primayer사의 상관식 누수탐지기 Eureka Correlator....................... 5

그림 6 매설배관 누설위치 추정을 위한 센서 설치................................................... 6

그림 7 유체가 존재하는 배관의 누설음 전파속도..................................................... 7

그림 8 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정 시뮬레이션.................................... 8

그림 9 전기잡음이 상호상관함수에 미치는 영향...................................................... 10

그림 10 주기적인 기계잡음이 상호상관함수에 미치는 영향.................................. 12

그림 11 누설위치에서 발생한 누설신호의 반사........................................................ 14

그림 12 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정방법의 개선방안......................... 16

그림 13 국내 발전소에서의 모의 누설시험............................................................... 19

그림 14 배관 양단에서 계측된 진동신호................................................................... 19

그림 15 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과............................................... 20

그림 16 잡음을 제거한 배관 진동신호....................................................................... 21

그림 17 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과 (잡음제거 후).................... 21

- 1 -

제 1장 서론

최근 발전소의 장기간 운전에 따라, 발전소 건설시 지하에 매설된 소화수관,

용수관, 그리고 외부로부터 유입된 송유관 등에서 장기간의 부식으로 인하여 누

설이 발생하는 경우가 자주 발생하고 있어, 경제적인 손실 및 환경오염 문제가

유발되고 있다.

발전소 현장에는 다양한 크기의 배관이 넓은 영역에 걸쳐 지하에 복잡하게

매설되어 있으며, 이러한 지하매설 배관의 누설은 육안검사 및 산업용 내시경

등의 통상적인 방법을 이용해서는 점검 및 확인이 용이하지 않다.

미국 전력연구원(EPRI: Electric Power Research Institute)은 2007년 5월에 열

린 워크숍에서 배관의 열화 민감도에서 매설배관의 관리문제가 주요 우선순위를

가지고 있다고 의제를 도출한 바 있으며, 매설배관 건전성 그룹을 만들고 원전

관계자들의 포럼을 개설하여 발전소들의 경험을 교환하고 매설배관 누설을 평가

하는 기술개발에 대한 지원을 계획하고 있다.

또한 환경부에서 발표한 “2008년 상수도통계”[1]에 따르면 상수도 누수율이

12.2%에 이르며, 상수도의 누수에 의해 적지 않은 경제적, 환경적 손실이 발생

하고 있으므로, 상수도의 경우에도 지하에 매설된 배관에 대한 효율적인 누설탐

지 및 관리의 필요성이 증대되고 있다.

현재 국내 연구소 및 대학에서도 지하매설배관 누설을 탐지하기 위한 기법을

연구하고 있으나, 아직까지 상용화단계까지는 연구개발이 수행되지 못하였으며,

국내에서는 상호상관함수기법을 이용한 외산장비가 상수도 매설배관의 누설탐지

에 활용되고 있다.

지하매설 노후배관의 누설탐지를 위해서는 신뢰성 있는 누설여부 진단 및 누

설위치 탐지 기술이 필요하나 현재까지 개발된 방법으로는 발전소와 같이 배경

소음수준이 높고, 복잡하게 구성된 대형 배관에 대해서 정확하게 누설진단을 할

수 없으므로, 발전소현장에 적합한 새로운 누설진단기법의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 현재 상수도 배관의 누설탐지를 위해 주로 사용되는 상호상관

함수를 이용한 누설탐지 기법을 발전소 현장에 적용할 경우 발생할 수 있는 문

제점을 도출하고, 이러한 문제점을 개선하기 위한 방안에 대해 연구하며, 이를

시뮬레이션을 통해 검증함으로써, 상호상관함수기법을 이용한 발전소 지하매설

배관의 누설탐지 타당성을 알아보고자 한다.

- 2 -

제 2장 지하 매설배관 누설탐지기술 현황

제 1절 국내 현황

배관의 누설탐지를 위한 연구가 한국원자력연구원, 한국표준과학연구원[2,3]을

비롯한 연구소와 국내대학(성균관대, 부산대 등)을 중심으로 하여 다양하게 수행

된 바 있으며, 주로 유도초음파신호를 활용한 누설탐지 기법들이 개발되었다. 그

러나 광범위한 영역에 걸쳐 복잡하게 분포하는 지하매설 대형배관에 적용 가능

한 누설탐지기법은 아직까지 개발된 바 없다.

(a) AE센서위치 및 누수지점 (b) 거리에 다른 AE hit 횟수

그림 1 한국표준과학연구원이 보유한 누설시험장치[2,3]

국내 산업현장에서의 지하매설 배관에 대한 누설탐지는 그림 2에서 볼 수 있

듯이 청음봉을 이용한 방법, 음향센서를 이용한 방법 등의 기초적인 방법을 통

해 이루어졌으며, 이러한 방법은 주변 소음이 작은 조용한 환경에서는 누설위치

를 추정할 수 있으나, 배경소음이 큰 경우 누설위치 추정이 어려운 단점을 갖고

있다.

(a) 청음봉을 이용한 방법 (b) 음향센서를 이용한 방법

그림 2 누설탐지에 사용되는 주요방법

- 3 -

매설배관에 대한 누설탐지는 소음원 탐지기술의 일종으로 볼 수 있으며, 한국

원자력연구원에서는 그림 3과 같이 소음원 및 진동원인 위치추정에 대한 연구를

지속적으로 수행하여 왔으며, 지하매설 배관의 누설탐지시스템을 개발하기 위한

연구를 수행하고 있다.

(a) 다채널 어레이센서 및 첨단 신호처리기법을 이용한 소음원 탐지

(b) 진동신호 분석을 이용한 원자로구조물의 충격소음 탐지

그림 3 한국원자력연구원의 소음원 및 진동원인 탐지 연구 실적

- 4 -

제 2절 국외 현황

발전소 및 플랜트의 경우 매설배관 구조의 검사에 초음파 검사기술을 활용한

사례가 있으나, 이러한 기술을 사용하여 얻는 결과는 배관의 코팅, 배관이 묻혀

있는 토양의 종류와 파이프 형상에 민감하며, 장거리 결함을 탐지하는 경우 아

직까지는 만족할만한 결과를 얻고 있지 못한 것으로 알려져 있다.

미국 전력연구원(EPRI: Electric Power Research Institute)은 2007년 5월에 열

린 워크숍에서 배관의 열화 민감도에서 매설배관의 관리문제가 주요 우선순위를

가지고 있다고 의제를 도출한 바 있으며, 매설배관 건전성 그룹을 만들고 원전

관계자들의 포럼을 개설하여 발전소들의 경험을 교환하고 매설배관 평가하는 기

술개발에 대한 지원을 계획하고 있다.

또한 미국의 경우 원자력발전소의 매설 배관에 대한 관심이 증대되고 있으며,

NRC(Nuclear Regulatory Commission)에서는 몇몇 발전소에서 누설사건이 발생

한 이후 NRC에서 매설배관 감시를 재검토하라고 한 바가 있으며, 향후 원전의

노후화에 따라서 원자력분야에서도 매설배관에 대한 누설탐지 기술에 대한 수요

가 증가할 것으로 예측된다.

해외의 경우 노출된 배관에 대한 누설감시 및 진단기법은 유도초음파, 자속측

정, 산업용 내시경을 이용한 방법 등 다양하게 개발되어 있으나, 지하에 복잡하

게 매설된 배관에 대한 원거리 누설감시 및 진단에 관한 연구개발은 전반적으로

미흡한 편이다.

일본의 Fuji Tecom사에서는 그림 4와 같이 LC-2500를 개발하였으며, 영국

Primayer사에서는 그림 5와 같은 Eureka Correlator라는 상관식 누설탐지 기기

를 개발하여 판매하고 있다. 이러한 시스템들의 기본원리는 누설지점에서 발생

하는 소음이 배관 양단에 위치한 센서에 도달되는 시간지연(time delay) 정보를

이용하여 누설위치를 찾는 방식이다.

그러나 현재까지 개발된 시스템에는 누설음과 배경소음을 구분할 수 있는 기

능이 없으므로, 배경소음이 존재하고 복잡하게 연결된 대형배관의 경우에는 원

거리 누설탐지가 어려운 단점이 있다.

- 5 -

그림 4 일본 Fuji Tecom사의 상관식 누수탐지기 LC-2500

그림 5 영국 Primayer사의 상관식 누수탐지기 Eureka Correlator

- 6 -

제 3장 기본 이론

지하에 매설된 배관의 누설을 탐지하기 위해 초창기에는 청음봉(listening

rod) 등이 주로 사용되었으며, 이는 누수 발생 여부를 확인하는 용도로는 사용

이 가능하지만, 누설이 발생하는 위치를 찾는 데는 한계가 있었다.

1990년대에 독일의 Fuchs에 의해 누수위치를 탐지하는 용도로 상호상관함수

를 이용한 누설탐지기법이 개발되었으며, 이 방법은 현재까지도 널리 사용되고

있다[4,5,6].

상호상관함수기법을 이용하여 지하매설배관의 누설을 탐지하기 위해서는 일

반적으로 그림 6과 같이 누설이 추정되는 배관의 양단(지하점검구나 소화전 등)

에 가속도계를 설치하고 신호를 계측하는 방법이 이용된다[2~6].

그림 6 매설배관 누설위치 추정을 위한 센서 설치

즉 누설지점으로부터 발생한 음향신호는 배관 구조물을 따라 양단으로 전파

하며, 이때 전파 속도(c)는 이론적으로 그림 7과 같이 구할 수 있다[7].

이때 상호상관함수는 식 (1)과 같이 표현되며, 는 누설신호의 도달시간차

( )를 나타낸다[8].

(1)

누설이 발생하는 경우 상호상관함수를 구하면 에 해당하는 위치에서 피크

가 발생하므로 이 정보를 이용하여 누설위치를 추정할 수 있다.

- 7 -

그림 7 유체가 존재하는 배관의 누설음 전파속도[7]

- 8 -

제 4장 전산시뮬레이션을 통한 타당성 분석

제 1절 상관식 누설탐지기법의 장점

상호상관함수를 이용하는 방법의 장점은 우선 사용되는 신호처리기법이 매우

단순하다는 점이며, 상용화된 신호분석기(signal analyzer)나 사용자가 직접 프로

그램을 작성하여서도 구현할 수도 있다는 점이다.

다른 장점으로는 다수의 누설위치가 존재하는 경우에도, 각각의 누설신호간의

상관성(correlation)이 없다면, 각각의 누설위치를 구분하여 판별할 수 있다는 점

이다. 이를 확인하기 위하여 독립적인 누설신호를 시뮬레이션을 통하여 생성하

고, 이러한 복수의 누설신호가 각기 다른 지점에 있는 경우, 상호상관함수를 구

하여 보았다.

그림 8 (a), (b), (c)는 각각 누설위치가 1곳, 2곳, 3곳인 경우의 누설위치 추정

시뮬레이션 결과를 나타내고 있으며, 결과에서 볼 수 있듯이 복수의 누설위치가

존재하는 경우에도 누설위치를 정확히 판별할 수 있음을 알 수 있다.

(a) 누설 위치가 1곳인 경우

그림 8 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정 시뮬레이션 (계속)

- 9 -

(b) 누설 위치가 2곳인 경우

(c) 누설 위치가 3곳인 경우

그림 8 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정 시뮬레이션

이러한 상호상관함수의 장점은 복잡한 지하매설 배관의 경우, 분기관(가지배

관)의 위치를 찾는 용도로 활용할 수도 있을 것으로 판단된다.

- 10 -

제 2절 상관식 누설탐지기법의 단점

상호상관함수(Cross-Correlation Function)를 이용하는 방법의 단점 중 하나는

비교적 큰 성분의 주기적인 신호성분(periodic signal)이 센서에서 계측된 신호에

함께 유입될 경우, 상호상관함수를 정확하게 구하는 것이 용이하지 않을 수도

있다는 점이다.

누설신호에 유입될 수 있는 주기적인 신호의 대표적인 예는 전기잡음(60Hz의

배수성분)이며, 이를 확인하기 위하여 전산 시뮬레이션을 수행하여 누설신호에

전기잡음이 유입되는 경우의 상호상관함수를 구하여 보았다. 전기잡음에 대한

시뮬레이션 결과는 그림 9와 같다.

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(a) 전기잡음 없는 경우

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(b) 전기잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 20%)

그림 9 전기잡음이 상호상관함수에 미치는 영향 (계속)

- 11 -

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(c) 전기잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 40%)

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.5

0

0.5

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(d) 전기잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 70%)

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.5

0

0.5

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(e) 전기잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 100%)

그림 9 전기잡음이 상호상관함수에 미치는 영향

- 12 -

그림 9를 전기잡음이 커지면 그래프에서 누설에 의한 피크의 구분이 쉽지 않

음을 알 수 있다.

전기잡음 이외에 발전소에서 발생 가능한 대표적인 주기신호(periodic signal)

의 하나는 회전체(rotating machinery)에 의해 발생하는 깃통과주파수(BPF:

Blade Passing Frequency) 성분을 들 수 있다. 깃통과주파수 성분은 펌프 등의

회전체의 블레이드수와 펌프의 회전수를 곱한 주파수에서 발생하는 성분으로 지

하매설 배관의 경우, 인접한 배관으로부터 전파되어, 누설탐지를 위한 센서에 추

가적으로 계측될 수 있다.

그림 10은 펌프의 회전에 의한 주기적인 진동성분이 센서에 유입되는 경우를

가정하여 전산 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내고 있으며, 펌프의 회전수는

1200rpm이고 블레이드 수는 5개인 경우를 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(a) 기계잡음 없는 경우

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10

4

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(b) 기계잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 20%)

그림 10 주기적인 기계잡음이 상호상관함수에 미치는 영향 (계속)

- 13 -

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(c) 기계잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 60%)

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(d) 기계잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 80%)

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 104

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

(e) 기계잡음 있는 경우(잡음 파워가 원래 신호의 100%)

그림 10 주기적인 기계잡음이 상호상관함수에 미치는 영향

- 14 -

그림 10을 관찰해보면 전기잡음의 경우와 마찬가지로 기계잡음이 커지면 그

래프에서 누설에 의한 피크의 구분이 쉽지 않음을 알 수 있다. 즉, 주기적인 기

계잡음의 파워가 원래 누설신호의 80% 이상이 되면 그래프에서 피크의 확인이

용이하지 않으며, 100%정도가 되면 그래프에서 피크를 찾기가 어려움을 알 수

있다. 따라서 상호상관기법을 이용한 누설탐지방법은 주변 기계소음(주기적으로

반복되는 소음)에 취약함을 알 수 있으며, 이러한 경우 누설위치 추정이 용이하

지 않음을 알 수 있다.

또한 배관을 따라 전파하는 누설신호의 경우, 누설지점으로부터 양단으로 전

파(그림 11의 A와 B성분)되며, 배관 양단의 임피던스가 부정합(mismatch)되는

경우에는 반사파(그림 11의 C, D성분)가 발생할 수 있고[9,10], 이러한 반사파가

존재하면 배관 양단에 위치한 누설신호 계측용 센서에 직접파(A, B 성분)와 함

께 반사파(C, D 성분)가 함께 계측되므로 상호상관함수에 영향을 미치게 되므

로, 반사파가 크게 계측되는 경우에는 이러한 영향을 배제할 수 있도록 계측시

스템을 구성하여 누설신호의 직접파에 의한 상호상관함수를 구할 수 있어야 한

다. 이에 대한 개선방안은 제 3절에서 기술하기로 한다.

그림 11 누설위치에서 발생한 누설신호의 반사

- 15 -

탐지 성능저하 요인 개선방안

전기잡음노이즈성분 필터링

(60Hz의 배수성분 제거)

주변 기계소음

(회전기계류에 기인하는

주기적으로 반복되는 소음)

주변 기계소음성분 필터링

(펌프, 팬 등의 BPF 및 harmonic 성분 제거)

배관계에 음파반사가 큰

경우복수 센서사용을 통한 음파분리 기법 적용

누설지점이 원거리에

위치하여 센서에 도달되는

신호가 미약한 경우

배수관(drain), 통기관(vent)을 활용한 배관

내부 음파 직접 측정

(하이드로폰을 사용하여 S/N비 향상)

제 3절 상관식 누설탐지기법의 개선 방안

앞 절에서 상호상관함수를 이용한 누설탐지기법의 단점을 알아보았으며, 본

절에서는 이러한 누설탐지기법의 단점을 개선하기 위한 방안에 대하여 기술하고

자 한다.

표 1은 상호상관함수를 이용한 누설탐지기법의 성능저하 요인 및 개선방안을

정리하여 나타낸 것이다.

표 1 상호상관함수를 이용한 누설탐지기법의 개선방안

우선 상호상관함수기법의 적용 시 가장 일반적으로 발생하는 경우는 전기잡

음에 의한 탐지성능 저하이며 이러한 현상을 개선하기 위해서는 전기잡음성분을

제거하여야 한다. 전기잡음을 제거하기 위한 하나의 방법은 하드웨어적인 필터

링방법을 이용하여 60Hz의 배수성분이 센서에서 계측되지 않도록 하는 방법이

있다. 이를 구현하기 위해서는 60H부근에서의 계측신호를 저감시키는 노치필터

(notch filter)를 설계하여 센서신호를 계측하는 신호조절기(signal conditioner)에

설치하여야 한다. 전기잡음의 영향을 제거하기 위한 다른 방법은 소프트웨어적

으로 전기잡음성분을 제거하는 방법을 고려할 수 있다. 이 방법은 60Hz 전기잡

음이 주파수영역에서는 하나의 피크로 표현되므로, 전기잡음이 포함된 계측신호

- 16 -

에 대한 푸리에변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행한 후, 주파수영역에서

피크로 표현되는 전기잡음성분을 제거하고, 이를 다시 역푸리에변환(Inverse

FFT)하여 시간신호로 변환한 후, 전기잡음이 제거된 신호에 대해 상호상관함수

를 구하는 방법이며, 제 5장에서 이러한 방법을 시험적으로 적용하고자 한다.

전기 잡음 이외에 상호상관함수기법에 영향을 미치는 다른 주요 요인은 주변

기계소음 성분(펌프, 팬 등의 BPF 및 harmonic 성분)들이며, 이 중 회전체에 의

해 발생하는 성분들은 주로 주기적으로 반복되는 특성을 갖고 있으므로, 이러한

주변기계 잡음성분들도 전기 잡음신호의 경우와 마찬가지로 주파수영역에서는

피크형태로 표현된다. 따라서 전기잡음신호의 신호처리 방법과 마찬가지로 주파

수영역에서 기계잡음성분에 의해 발생하는 피크들을 제거한 후 역푸리에변환을

수행하고, 이에 대한 상호상관함수를 구하는 방법을 적용 가능할 것으로 판단된

다.

그림 12의 경우와 같이 배관계 양단에서 음파반사가 큰 경우, 배관 양단에 각

각 2개의 센서를 사용하여 누설지점으로부터 발생한 직접파(A, B 성분)와 반사

파(C, D 성분)의 구분이 가능하다. 이러한 음파분리기법은 소음기나 배관의 소

음저감 성능평가기법을 개선하기 위하여 적용되어 온 방법으로서, 지하매설배관

누설감시에는 적용된 사례가 없으나, 이러한 음파분리기법[9,10]을 적용하면 반

사파의 영향을 제거하고 누설지점으로부터 방출되는 직접파 성분의 검출이 가능

하므로 누설탐지의 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

그림 12 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정방법의 개선방안

- 17 -

지하매설 배관의 누설지점이 원거리에 위치하여 센서에 도달되는 신호가 미

약한 경우에는 상호상관함수기법의 성능이 저하될 수 있으며, 이러한 상능저하

를 개선하기 위한 하나의 방법으로 지하매설 배관의 점검구에 위치한 배수관

(drain tube) 또는 통기관(vent tube)에 하이드로폰을 사용하여 배관내부를 전파

하는 누설음파를 직접 측정함으로써, 누설신호의 신호대잡음비(S/N 비)를 높이

는 방법도 가능할 것으로 판단된다.

- 18 -

제 5장 누설탐지 시험 및 분석

제 1절 발전소 누설탐지 시험

상호상관함수기법을 이용한 발전소 지하매설 배관의 누설탐지 타당성을 알아

보기 위하여, 실제로 발전소의 배관에 대하여 누설탐지 시험을 수행하였다. 본

실험에서 누설탐지를 위한 진동 계측에 사용한 시험장비들은 표 2와 같다.

표 2 신호 측정을 위한 사용 장비 및 특성

사용장비 장비명 특성

Accelerometer B&K 4321 sensitivity: 1

Charge Amplifier B&K 5974 sensitivity: 10

Signal Analyzer B&K Pulse input module: B&K 3560C

진동센서는 지하매설 배관의 누설지점으로부터 발생되는 진동신호를 계측하

는 역할을 하며, 진동계측을 위해 사용한 가속도계(accelerometer)는 B&K 4321

이다. 이 때 가속도계 위치의 가속도를 전하신호로 바꾸어 주는 역할(sensitivity:

1 )을 하고, 전하증폭기(charge amplifier)는 가속도계를 통해 얻어진 전

하신호를 전압신호로 바꾸어주는 역할을 한다.

가속도계와 전하증폭기를 거쳐 전압신호로 변환된 가속도신호는 신호분석기

(B&K 3560C)를 이용하여 저장 및 분석하였다. 이때 샘플링주파수는 8192Hz로

하였으며, 추후 상세분석이 가능하도록 신호를 저장하였다.

그림 13은 발전소에서 수행한 누설 모의실험의 센서 설치위치를 나타내고 있

다. 배관의 직경은 12인치이며, 인위적인 누설이 발생하는 상황에서 누설 위치

양단에 가속도계를 설치하고, 신호를 계측한 후 이에 대한 상호상관함수를 계산

하였다. 이때 밸브를 기준으로 좌측관의 압력은 10기압, 우측관의 압력은 5기압

으로 가압한 조건이며, 플랜지 좌측에서 인위적으로 누수를 발생(약 3 liter/min)

시킨 상태에서 시험을 수행하였다.

- 19 -

그림 13 국내 발전소에서의 모의 누설시험

10 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 10.07 10.08 10.09 10.1-2

-1

0

1

2

time(s)

X Ac

cele

ratio

n(m

/s2 )

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-2

-1

0

1

2

time(s)

Y Ac

cele

ratio

n(m

/s2 )

그림 14 배관 양단에서 계측된 진동신호

- 20 -

-0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion제 2절 누설탐지 시험 결과

그림 15는 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과를 나타내고 있다. 그림

15를 관찰해보면 여러개의 피크가 복잡하게 나타남을 알 수 있으며, 그림 14에

서 볼 수 있듯이 계측된 신호에 전기잡음이 존재함에 따라 누설위치 추정이 용

이하지 않음을 알 수 있다.

그림 15 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과

제 4장의 3절에서 기술된 바와 같이 주기적인 노이즈성분을 제거하기 위하여

계측된 신호를 주파수영역으로 변환한 후 주기적인 잡음성분을 제거하는 방법을

사용하였다.

그림 16은 계측된 신호를 주파수영역으로 변환한 후, 피크성분들을 제거한 후

다시 역푸리에 변환을 수행한 결과를 나타내고 있다. 그림 14와 그림 16을 비교

해보면 그림 14에 비해 그림 16에서는 주기적인 신호성분들이 대폭 감소되었음

을 확인할 수 있다.

그림 17은 잡음 제거 후의 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과를 나타

내고 있다. 그림 17을 관찰해보면 잡음성분을 제거함에 따라서 누설추정 위치가

실제위치에 더 근접함을 확인할 수 있다. 즉, 시간지연(time delay)이 -0.5ms에서

- 21 -

피크가 발생하고 있으며, 그림 13에서 인위적인 누설위치가 양쪽센서의 중간지

점에서 왼쪽으로 치우쳐 있는 것과 일치함을 알 수 있다. 또한 누설음의 전파속

도를 1200~1300 m/s 정도이고, 두 센서간의 거리차이가 0.55m임을 고려하면 두

센서에 도달하는 시간차도 0.5ms정도이므로 타당한 결과를 보여주고 있음을 확

인할 수 있다.

10 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 10.07 10.08 10.09 10.1-2

-1

0

1

2

time(s)

X Ac

celer

ation

(m/s2 )

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-2

-1

0

1

2

time(s)

Y Ac

celer

ation

(m/s2 )

그림 16 잡음을 제거한 배관 진동신호

-0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

-200

0

200

400

600

800

1000

Time delay(s)

Cros

s Co

rrelat

ion

그림 17 상호상관함수를 이용한 누설위치 추정결과 (잡음제거 후)

- 22 -

제 6장 결 론

지하매설 배관 누설탐지 기술 현황 및 타당성 분석을 수행하여 얻은 결론

은 다음과 같다.

1) 현재 지하매설 배관의 누설위치를 추정하기 위하여 주로 사용되는 상호상

관함수기법의 장단점을 시뮬레이션을 통하여 분석하였으며, 상호상관함수

기법의 탐지성능을 저하시키는 가장 큰 요인은 전기잡음 또는 회전체에서

발생하는 주기적인 잡음성분임을 알 수 있었다.

2) 발전소에서의 누설 모의실험을 통하여 상호상관함수기법을 이용한 발전소

매설 배관의 누설탐지 타당성을 알아보았고, 주기적인 잡음성분을 제거함

으로써 누설위치 추정의 정확성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

3) 발전소 지하매설 배관 노후화에 따라 향후 누설 발생의 빈도가 증가할 것

으로 예측되므로, 배관의 누설 조기감지 및 추이 모니터링을 통해 적기에

배관 보수/교체방안을 수립할 수 있도록 하는 누설감시시스템의 개발이

필요할 것으로 판단된다.

- 23 -

참고문헌

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[2] 이영섭, 윤동진, "지하매설 상수도 배관의 누수지점 탐지 알고리듬 연구,"

2004년 한국비파괴검사학회 춘계학술대회논문집, 2004.

[3] 이영섭, 윤동진, 백광현, 지하매설 배관의 누수지점 탐지를 위한 음향학적

해석 및 신호처리, 한국음향학회논문집 제23권 1호, 2004.

[4] D. A. Liston et al., "Leak Detection Techniques," Journal of New England

Water Works Associaition, 1206(2), pp.103~108, 1992.

[5] R. J. Pinnington and A. R. Briscoe, "Experimentally Applied Sensor for

Axisymmetric Waves in a Fluid filled Pipe," Journal of Sound and

Vibration, 173(4), pp.503~516, 1994.

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pp.939~954, 2002.

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Response, Academic Press, 1985.

[8] J. S. Bendat and A. G. Piersol, Random data, Wiley, 1986.

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Intensity and Acoustic Properties in Duct," Journal of Acoustical Society

of America, Vol.83, pp.2233~2239, 1988.

[10] 윤두병, 김양한, "다공관 및 다공형 소음기의 음향학적 특성에 대한 실험적

연구,“ 한국음향학회지, 제14권 제2호, pp.62~72, 1995.

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서 지 정 보 양 식

수행기관보고서번호 위탁기관보고서번호 표준보고서번호 INIS 주제코드

KAERI/TR-4219/2010

제목/부제 지하매설 배관 누설탐지 기술 현황 및 타당성 분석

연구책임자 및 부서명 윤두병 (원자력융합기술개발부)

연 구 자 및 부 서 명 박진호 / 신성환 (원자력융합기술개발부)

출 판 지 대 전 발행기관 한국원자력연구원 발행년 2010. 12.

페 이 지 p.23 도 표 있음( ◯ ), 없음( ) 크 기 27 cm

참고사항

비밀여부 공개( ◯ ), 대외비( ), __ 급비밀 보고서종류 기술보고서

연구위탁기관 계약 번호

초록 (15-20줄내외)

발전소 건설 시에 설치된 지하매설 배관이 대부분 20년 이상 경과됨에 따라서

지하매설 배관의 누설탐지의 중요성이 점차 부각되고 있다. 본 연구의 목적은 현재

상수도의 누설탐지에 주로 사용되고 있는 상호상관함수기법을 발전소 지하매설 배

관 누설탐지에 적용 가능한지에 대한 타당성 연구를 수행하는 것이며, 이를 위하여

누설위치를 추정하기 위하여 사용되는 상호상관함수를 이용한 누설탐지 기법의 주

요 장단점을 시뮬레이션 수행을 통하여 분석하였다. 또한 발전소에서의 모의 누설

시험을 수행하였으며, 그 결과로 주파수영역에서의 신호처리기법을 활용하여 계측

된 진동신호에 유입된 전기잡음과 주기적인 기계잡음 성분을 감소시킴으로써, 상호

상관함수기법의 누설탐지 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였으며, 향후 상호상관

함수기법을 발전소 지하매설 배관의 누설탐지에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

주제명키워드

(10단어내외)매설배관, 누설, 누설탐지, 상호상관함수, 잡음감소, 신호처리

- 25 -

BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET

Performing Org.Report No.

Sponsoring Org.Report No.

Stamdard Report No.INIS SubjectCode

KAERI/TR-4219/2010

Title/Subtitle

A Feasibility Study on Leak Detection Technique for Buried Pipes

Project Managerand Department

Doo-Byung Yoon (Nuclear Technology Convergence Division)

Researcher andDepartment

Jin-Ho Park / Sung-Hwan Shin

(Nuclear Technology Convergence Division)

PublicationPlace

Daejeon Publisher KAERI PublicationDate

2010. 12.

Page p.23 Ill. & Tab. Yes( ◯ ), No ( ) Size 27 cm

Note

Classified Open( ◯ ), Restricted( ),

__ Class DocumentReport Type Technical Report

Sponsoring Org. Contract No.

Abstract (15-20 Lines)

The importance of the leak detection of a buried pipe in a power plant is being

emphasized as the buried pipes of a power plant are more than 20 years old. In

case of water supply facilities, the cross-correlation method is widely used for leak

detection of a buried pipe. The objective of this work is to investigate the feasibility

of the cross-correlation method for leak detection of the buried pipe in power plant.

For this purpose, the advantages and disadvantages of the cross-correlation method

were investigated by performing numerical simulations. In addition, in order to

verify the feasibility of the cross-correlation method for leak detection of the buried

pipe in power plant, an experiment has been performed. The experimental result

demonstrates that the performance of the cross-correlation method can be enhanced

by reducing the periodic noise components due to electrical noise and mechanical

equipment. It is expected that the cross-corelation method can be utilized for the

leak detection of the buried pipe in power plant.

Subject Keywords(About 10 words)

Buried Pipe, Leakage, Leak Detection, Cross-Correlation,

Noise Reduction, Signal Processing